ソノケミカルで改良されたディールス・アルダー反応

ディールス-アルダー反応は、炭素-炭素の原子間結合を形成しなければならない化学合成に広く用いられている。超音波処理とそのソノケミカル効果は、ディールス-アルダー反応を促進し、収率を高め、反応時間を大幅に短縮し、同時に環境に優しいグリーンケミストリーの一部となる。

グリーンケミストリーを目指したソノケミカルによるディールス・アルダー反応

ディールス・アルダー反応は、炭素原子間の結合が形成される化学反応である。Diels-Alder反応は、熱的に許容される[4+2]環化付加反応として分類される[。_π4_s + _π2_s].超音波支援有機合成は、反応速度、収率、反応の選択性を向上させるグリーンで効率的な合成ルートであるため、超音波照射は研究室や工業生産で広く使用されているシンプルで信頼性の高い技術である。多くの場合、超音波化学的に促進されたルートは、温度と圧力のドラスティックな条件を必要とする常温条件での有機変換を容易にし、エネルギーコストの節約に役立ち、化学合成を節約的な手順に変える。

深部共晶溶媒を用いた超音波ディールスアルダー反応

深部共晶溶媒（DES）は、共晶混合物を形成するルイス酸またはブレンステッド酸と塩基の溶液である。深部共晶溶媒は不燃性で、蒸気圧と毒性が低く、天然化合物から作られることが多いため、より安全で環境に優しい代替溶媒である。超音波処理と深部共晶溶媒は相乗的に作用することが知られており、超音波抽出だけでなく化学合成にも使用される。深部共晶溶媒の使用は、超音波で促進されるディールス・アルダー反応においても有益である。例えば、N-エチルマレイミドをジエノフィルとするディールス-アルダー反応を促進するために超音波照射が用いられ、深部共晶溶媒(DES)中では通常の加熱と超音波活性化の両方でジエンの性質が変化する。
超音波活性化と深い共晶溶媒の併用が有効であることが証明され、反応時間を大幅に短縮しながら良好な収率が得られた。

超音波により改良されたDiels-Alder反応。
スキームはMarullo et al.

DESとソニケーションを用いたDiels-Alder反応の一般的手順

反応容器に超音波プローブ（ソノトロード/ホーン）を挿入し、超音波でディールスアルダー反応を促進した。超音波プローブの先端は直径0.5cmで、公称出力は70Wであった。反応は40℃で行い、5秒のONと20秒のOFFのサイクルでパルスモードで超音波照射を行った。超音波で強めたDiels-Alder反応は、無音条件下よりもはるかに短時間で良好な収率を示した（超音波反応では70分、無音反応では24時間）。
超音波化学的に増強されたDiels-Alder反応のエネルギー効率を評価するために、無声反応と超音波的に促進されたDiels-Alder反応のエネルギー消費量を比較した。計算の結果、無声反応では35,094 kJ/g、超音波アシスト反応（出力70 Wの超音波ホーン）では28.4 kJ/gであった。この結果、超音波駆動のDiels-Alder反応では99%のエネルギーが節約された。これらの観察結果は、深部共晶溶媒(DES)と超音波照射の併用が、Diels-Alder反応のような重要な合成プロセスにおいて、効率的で省エネルギーな方法論であることを強く示唆している。(Marullo et al., 2020)

ソニケーションを併用した各種深部共晶溶媒の効果

深部共晶溶媒[ChCl]:[Fru]および[TBACl]:[EG]を溶媒として用いた場合、超音波促進Diels-Alder反応において最良の結果が得られた。溶媒として[ChCl]:[Fru]と[TBACl]:[EG]を使用すると、反応時間が大幅に短縮され、収率も大幅に向上した（[TBACl]:[EG]の場合、サイレントおよびソノケミカル条件下でそれぞれ73%および87%、[ChCl]:[Fru]の場合、23%および75%）。
TBPCl]：[EG]、[ChCl]：[Gly]、[AcChCl]：[EG]を溶媒として使用した場合、収率は無音条件下で得られた収率と同程度であるが、それでも超音波処理によって化学プロセスの速度は劇的に改善される。
ソニケーションは、イオン液体（IL）のような低蒸気圧で粘性の高い溶媒との相性が非常に良く、このような条件下ではキャビテーション効果がより発生しやすくなるためです。深部共晶溶媒はイオン液体に類似した物理的特性を持つため、超音波処理と組み合わせて使用することができます。深部共晶溶媒(DES)と超音波処理を併用することで、ディールス-アルダー反応のエネルギー需要は大幅に減少する。反応時間は24時間から70分へと大幅に短縮され、収率も非常に良好である。プロセス効率に関しては、深部共晶溶媒(DES)と超音波処理を併用することで、無音状態の10倍の量の材料を処理できることを意味する(Marullo et al.(Marullo et al.）

オキサビシクロアルケンの超音波ディールスアルダー反応

Weiら(2004)は、ジメチルアセチレンジカルボキシレート(DMAD)やマレイン酸ジメチルなどの反応性ジエノファイルと置換フランのディールス・アルダー反応を超音波で促進すると、官能基化されたオキサビシクロアルケンが良好な収率で得られることを示した。2-ビニルフランとDMADとの位置特異的フラノDiels-Alder環化付加反応を超音波で促進すると、官能基化されたオキサビシクロアルケンが良好な収率で得られた。

ソノケミカルで改良された環化付加反応

Bravoら（2006）は、イミダゾリウム系イオン液体を反応媒体とし、シクロペンタジエンまたは1,3-シクロヘキサジエンとカルボニルジエノフィルとの一連の超音波付加環化反応を報告した。彼らは、超音波処理によって、これらの環化付加反応が効果的に改善され、対応するサイレント反応と比較して、高い収率および／または反応時間が短縮されることを実証した。例えば、メチルビニルケトンやアクロレインのような単純なα,β-不飽和ジエノフィルの場合、超音波による活性化の効果は明らかである。例えば、メチルビニルケトンは穏やかな超音波処理で1時間以内に89％の収率をもたらすが、無声反応では同じ反応時間で52％しか得られない。

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